基于SC-FDE移動(dòng)多媒體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文介紹了基于單載波頻域均衡（SC-FDE）技術(shù)的移動(dòng)無線多媒體傳輸系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，并通過在實(shí)際環(huán)境下的測試結(jié)果分析了系統(tǒng)采用此方案的原因和最終達(dá)到的效果。
關(guān)鍵詞：SC-FDE；移動(dòng)多媒體傳輸系統(tǒng)

1  引言

    隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，寬帶無線數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)，尤其對于專業(yè)部門的移動(dòng)應(yīng)急多媒體通信，例如: 軍隊(duì)、公安、武警等。很多的國際組織都對寬帶無線傳輸系統(tǒng)制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，其中最具有代表性的就是IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)體系。而由于寬帶無線接入系統(tǒng)的工作環(huán)境一般都存在嚴(yán)重的多徑衰落，所以尋找一種有效抵抗多徑衰落影響的傳輸技術(shù)成為這類系統(tǒng)物理層研究的核心問題。在IEEE802. 16a^[1]協(xié)議中對物理層關(guān)鍵技術(shù)建議了兩種方案可供選擇，即OFDM（正交頻分復(fù)用）和SC-FDE（單載波頻域均衡）。雖然IEEE802. 16a提出了SC-FDE的傳輸方式，但是并沒有給出具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。以實(shí)際無線多媒體傳輸系統(tǒng)的具體要求為出發(fā)點(diǎn)，本文將詳細(xì)討論基于SC-FDE和分集技術(shù)的無線多媒體傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其性能。

2  系統(tǒng)目標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)分析

    就本系統(tǒng)而言，其目標(biāo)主要是在4MHz信道帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙向4.5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，即上下行總速率約為4.5Mbps。在這樣一個(gè)大的前提下，需要考慮的主要是對抗多徑時(shí)延擴(kuò)展技術(shù)以及雙工方式的選取。

    寬帶無線通信系統(tǒng)需要應(yīng)對的一個(gè)主要問題就是電磁波的傳播所引入的多徑時(shí)延擴(kuò)展問題。在實(shí)際系統(tǒng)中所采用的對抗多徑的技術(shù)主要有OFDM、SC-FDE以及傳統(tǒng)的SC- TDE（單載波時(shí)域均衡）技術(shù)。

    傳統(tǒng)的SC-TDE首先被用于頻帶較窄的語音業(yè)務(wù)的調(diào)制解調(diào)器中。其主要缺點(diǎn)就是處理的復(fù)雜度較高，這點(diǎn)在寬帶系統(tǒng)中更為明顯，因此在目前的寬帶系統(tǒng)中大都不選用此技術(shù)。

    OFDM技術(shù)將整個(gè)頻帶分成眾多的頻帶很窄的子載波，并將調(diào)制后的符號通過這些子載波并行傳輸。在發(fā)端，利用反傅立葉變換（IFFT）將一個(gè)傳輸塊調(diào)制到各個(gè)子載波上。在收端，通過對傳輸塊進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT）就可以提取各個(gè)子載波上的信息。此外，在發(fā)端，需要在每個(gè)傳輸塊前插入一個(gè)循環(huán)前綴（CP），加入CP是為了避免前一傳輸塊和本傳輸塊之間干擾的，在收端，去CP后，所得到的傳輸塊是發(fā)送信號與信道沖擊響應(yīng)循環(huán)卷積的結(jié)果，因此可以利用FFT進(jìn)行處理。OFDM系統(tǒng)中，對于每個(gè)符號的處理所需的乘法數(shù)目階次大致為 ^[2]。在大時(shí)延擴(kuò)展（與符號速率相比）的環(huán)境下，與傳統(tǒng)的SC-TDE系統(tǒng)相比，OFDM無疑是一種更好的性能與復(fù)雜度折衷的方案。由于傳輸?shù)腛FDM符號是大量的調(diào)制后的窄帶子載波的和，OFDM系統(tǒng)具有較大的峰平比（即便系統(tǒng)中采用低階調(diào)制，比如QPSK），而且這一現(xiàn)象隨著子載波數(shù)目的增加而加劇。由于系統(tǒng)中功放的非線性的影響，與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)中的功放往往要回退數(shù)個(gè)dB以保證在整個(gè)信號包絡(luò)幅度范圍內(nèi)的線性。這必將對無線系統(tǒng)的覆蓋范圍產(chǎn)生重大的影響，并且對于離中心站較近的移動(dòng)臺，回退更進(jìn)一步降低了功放的效率。此外，OFDM系統(tǒng)對頻偏以及相位噪聲比較敏感。

    SC-FDE系統(tǒng)與OFDM系統(tǒng)具有相類似的傳輸塊結(jié)構(gòu)，即利用CP避免前一傳輸塊對本傳輸塊的干擾，并且使傳輸塊保證循環(huán)特性。與OFDM系統(tǒng)相比， SC-FDE系統(tǒng)具有較低的算法復(fù)雜度，主要原因是：均衡是在傳輸塊的基礎(chǔ)上完成的；通過FFT、IFFT以及對信道估計(jì)的逆變換處理，可以有效的降低算法復(fù)雜度并保證良好的性能。新近的研究結(jié)果表明，SC-FDE系統(tǒng)與OFDM系統(tǒng)相比，具有幾乎一樣的性能及較低的算法復(fù)雜度^[3][4]?？傮w而言，SC-FDE系統(tǒng)主要具有以下一些值得注意的特性：

·    單載波系統(tǒng)避免了OFDM系統(tǒng)所引入的峰平比問題，因而對功放的要求明顯降低。

·    與OFDM系統(tǒng)相比，SC-FDE降低了系統(tǒng)對頻偏影響的敏感程度，并且對于無編碼系統(tǒng)，能充分利用了多徑的分集增益

·    SC-FDE的性能與OFDM系統(tǒng)相近，對于無編碼和高編碼效率的系統(tǒng)，SC-FDE甚至有更好的性能

·    與OFDM系統(tǒng)相類似，SC-FDE大大降低了算法復(fù)雜度，假設(shè)傳輸塊長與多徑時(shí)延擴(kuò)展成一定比例關(guān)系，則SC-FDE與OFDM系統(tǒng)的復(fù)雜度與多徑時(shí)延擴(kuò)展的對數(shù)成正比

·    從對抗頻率選擇性衰落的角度而言，其性能與OFDM系統(tǒng)相類似，在某些具體需要的前提下，可以不加編碼

·    與OFDM系統(tǒng)相比，SC-FDE主要的復(fù)雜度都集中在收端，因此可以簡化發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)

    通過對以上技術(shù)的比較研究，綜合考慮算法復(fù)雜度、系統(tǒng)性能和系統(tǒng)復(fù)雜度等，在目前的系統(tǒng)中，更適宜采用SC-FDE技術(shù)。

    就系統(tǒng)雙工方式而言，本系統(tǒng)采用TDD雙工方式，主要原因有：首先，TDD方式不需要成對的頻譜，只用一個(gè)信道，便于頻率規(guī)劃，提高頻譜利用效率。TDD方式有利于脈沖同步，消除近端干擾，有利于實(shí)現(xiàn)中心站分集接收；其次，無線信道衰落的快慢取決于傳輸頻率，TDD上下行使用相同頻率，上下行鏈路的傳播特性相同，利用這種相關(guān)特性，可以很方便的采用預(yù)處理技術(shù)提高系統(tǒng)性能，對抗信道衰落。但在FDD模式下的系統(tǒng)，其上下行處于不同的頻段，信道之間互不相關(guān)，很難及時(shí)的獲得信道特性信息，從而無法有效的應(yīng)對信道的衰落特性所帶來的影響；再次，TDD方式采用收發(fā)一個(gè)信道，可以省去一個(gè)價(jià)格比較昂貴的雙工器，是收發(fā)器設(shè)計(jì)變得簡單，簡化RF部分設(shè)計(jì)，同時(shí)也降低設(shè)備體積；最后，TDD只使用一個(gè)信道傳輸上下行數(shù)據(jù)，便于上下行帶寬的靈活分配，而對于業(yè)務(wù)需求來講也主要是非對稱的，從而適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的需求。本系統(tǒng)主要是面向Internet數(shù)據(jù)與多媒體業(yè)務(wù)，由于Internet、文件傳輸和多媒體業(yè)務(wù)常常上下行容量不對稱，因此更適宜采用TDD模式。

    此外，為了達(dá)到更加穩(wěn)定的傳輸效果，提高系統(tǒng)的覆蓋能力，適應(yīng)系統(tǒng)上行多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨?，在基站端可以采用天線分集提高系統(tǒng)整體性能。對上下行而言，可以分別采用接收分集以及發(fā)送分集技術(shù)來對抗信道衰落，從而提高系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。接收端天線之間的距離d≥λ／2（λ為工作波長），以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨(dú)立的，簡而言之，當(dāng)某一接收天線的輸出信噪比很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)低信噪比的現(xiàn)象。經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪x擇合并處理，可以有效地降低信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃浴?/P>

3   基于SC-FDE無線多媒體傳輸設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

    基于以上一些分析考慮，在本系統(tǒng)中采用TDD雙工方式、QPSK調(diào)制、TPC編碼以及SC-FDE技術(shù)，并在基站端采用多天線來實(shí)現(xiàn)分集，從而提高系統(tǒng)可靠性。以上行為例，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

            圖1 基于SC-FDE無線多媒體傳輸系統(tǒng)上行框圖

3.2    SC-FDE實(shí)現(xiàn)幀結(jié)構(gòu)格式

    基于SC-FDE無線多媒體傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，一個(gè)通用的基本單元長度（Slot）為（ ）*1152 chip，其中分為數(shù)據(jù)塊（DB）和導(dǎo)頻（Pilot）。一個(gè)基本單元有 個(gè)數(shù)據(jù)塊，每一個(gè)數(shù)據(jù)塊以及導(dǎo)頻塊前均插入了循環(huán)前綴（CP）。

圖2 基于SC-FDE無線多媒體傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)幀結(jié)構(gòu)

    對于一幀而言，主要包括長度為256個(gè)chip的主同步碼（PSC，完成同步功能）以及數(shù)個(gè)Slot。根據(jù)PSC完成同步后，截取出各個(gè)傳輸塊，并根據(jù)導(dǎo)頻塊對各個(gè)數(shù)據(jù)塊所處處的信道進(jìn)行估計(jì)。具體而言，SC-FDE關(guān)鍵算法由圖3所示。其中 為接收到的傳輸塊， 為其變換到頻域后的結(jié)果。

圖3 基于SC-FDE系統(tǒng)頻域均衡框圖

4   測試與驗(yàn)證結(jié)果：

    利用上述方案及算法，我們就典型小區(qū)環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，試驗(yàn)條件如下

·         小區(qū)半徑約為7km

·         基站天線高度60m，天線增益10dBi

·          移動(dòng)臺天線高度3m，天線增益5dBi

·         移動(dòng)速度≤100km/h

圖4：解調(diào)輸出信號Eb/N0的CDF曲線

    圖4為解調(diào)輸出信號Eb/N0的CDF曲線，其橫坐標(biāo)為解調(diào)輸出信號的Eb/N0（單位：dB）。 曲線為天線0的輸出信號Eb/N0的CDF曲線， 曲線為天線1的輸出信號Eb/N0的CDF曲線， 為兩個(gè)天線解調(diào)輸出信號相加后所得結(jié)果的Eb/N0的CDF曲線， 曲線為從上述三個(gè)結(jié)果中適時(shí)選擇最好的一個(gè)所對應(yīng)的Eb/N0的CDF曲線，從圖中可以看出，采用分集技術(shù)可以明顯提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，大大提高系統(tǒng)的覆蓋范圍，而且采用分集方式時(shí)，直接合并與從三個(gè)結(jié)果中選擇最好的一個(gè)的效果基本一樣。

5   結(jié)論：

    本系統(tǒng)采用最終決定采用方案為：TDD+QPSK＋FDE＋接收分集的實(shí)現(xiàn)方式，SC-FDE 系統(tǒng)具有較強(qiáng)的克服頻率選擇性衰落的能力,降低了對系統(tǒng)的要求，并克服了OFDM 系統(tǒng)對的不足而且和OFDM有向接近的性能；采用TDD雙工方式提高頻譜利用率，使得本系統(tǒng)更適應(yīng)多徑衰落信道傳輸，而且TDD的信道分配方式比FDD方式更適應(yīng)以太網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)的需求。將SC-FDE技術(shù)與接收分集技術(shù)相結(jié)合，可以有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及性能，改善系統(tǒng)的覆蓋范圍。通過大量的試驗(yàn)，目前已經(jīng)在北京久華信公司移動(dòng)多媒體傳輸設(shè)備上得以應(yīng)用和驗(yàn)證，在無線和移動(dòng)通信領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

    本文作者創(chuàng)新點(diǎn):提供了在移動(dòng)條件下多媒體信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案和實(shí)現(xiàn)算法。

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